張茂勇

（廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 510000）

該輸水隧洞工程總長26.775km，采用3 臺TBM 分3 段進行施工。TBM 掘進總長為24.588km，開挖直徑5.06m。隧洞開挖完成后，采用拼裝預(yù)制六邊形鋼筋混凝土管片襯砌，砌體接縫及同圍巖間的空隙回填豆礫石，并灌注水泥漿。襯砌管片分為A、B、C 三種類型，采用C55 鋼筋砼，襯砌背后充填豆礫石及灌漿，共17563 環(huán)。每環(huán)管片鋼筋砼5m3，共計砼87815m3。管片外弧半徑2400mm，內(nèi)弧半徑2150mm，厚250mm，環(huán)寬1400mm，每環(huán)有4 片，由1 片底拱管片、2 片側(cè)拱管片和1 片頂拱管片構(gòu)成。

1 工程實施要點與難點

1.1 輸水隧洞洞徑?。?5.06m）

TBM 獨頭掘進距離達到9.173km 且通風距離在10km 以上，出渣設(shè)備皮帶工作長度約10.5km，因此對現(xiàn)場通風和出渣的技術(shù)要求較高，以保證系統(tǒng)的可靠性。

1.2 基坑場地小

應(yīng)合理協(xié)調(diào)隧洞內(nèi)、外布置，優(yōu)化布置洞內(nèi)各系統(tǒng)，為TBM 掘進提供充足的作業(yè)空間和輔助，會對施工進度和施工質(zhì)量起到?jīng)Q定性作用。

1.3 施工環(huán)境復(fù)雜

圍巖條件下，刀具的使用環(huán)境相對復(fù)雜，需要根據(jù)實際情況選擇合適的刀具，并且應(yīng)加強現(xiàn)場圍護與保養(yǎng)，減少刀具的更換頻次，延長使用周期。

1.4 掘進速度慢

該工程圍巖硬度較高，TBM 掘進難度相對較大，推進速度較慢，因此需要優(yōu)化掘進參數(shù)，確保TBM 掘進參數(shù)與圍巖相匹配，在保證掘進速度的同時增加設(shè)備壽命。

2 TBM 掘進施工技術(shù)要點

2.1 始發(fā)掘進技術(shù)

在距隧洞掌子面2m 處施工的過程中已經(jīng)預(yù)留施工槽，并對TBM 刀盤進行處理。刀盤進入施工槽后可以轉(zhuǎn)動，如圖1所示。TBM 刀盤處理主要指安裝TBM 步進時沒有安裝的邊滾刀和刮刀。

圖1 T1BM 始發(fā)前刀盤處理

2.1.1 灌漿和充填

在管片拖出盾尾3～5 環(huán)后，分步進行灌漿和充填豆礫石。首先，通過TBM 盾尾自帶的底部注漿管，在底拱管片背部充填水泥砂漿。其次，通過TBM 自帶的豆礫石回填泵向管片與圍巖間的環(huán)形間隙吹入豆礫石，豆礫石粒徑為5mm～10mm。最后，在充填豆礫石后，及時用水泥漿液進行灌漿，漿液水灰比應(yīng)≤0.6，灌漿壓力應(yīng)控制在0.3MPa～0.6MPa，通過現(xiàn)場灌漿試驗并經(jīng)監(jiān)理人批準。

2.1.2 控制出渣量

每環(huán)出渣量（實方）為28.15m3/環(huán)（每環(huán)1.4m）。將TBM推進出渣量控制在98%～102%，為27.59m3/環(huán)～28.71m3/環(huán)。在破碎地段須嚴格控制出渣量，避免出現(xiàn)掌子面大范圍坍方。

2.2 掘進施工技術(shù)

2.2.1 掘進

由主推進油缸送力，打開伸縮盾，刀盤在推力作用下向前掘進，撐靴在洞壁反向撐緊，進一步為掘進機提供推力，刀盤在掘進過程中產(chǎn)生的各種石屑、碎渣由鏟斗與刮板送至刀盤中心輸送機，經(jīng)主機和后方配套皮帶機送至渣車，管片安裝與豆礫石填充在盾尾防護下同步進行，直至刀盤前進至該環(huán)結(jié)束處。該循環(huán)掘進結(jié)束后安排下一循環(huán)施工[1]。掘進時，刀盤的速度應(yīng)保持約30mm/min，主推進油缸的推力保持在900t～1000t，掘進機緩慢推進，并適時調(diào)整參數(shù)?？刂凭蜻M機刀盤以低貫入度切入，當?shù)侗P與掌子面相距約10cm 時啟動，刀盤初始轉(zhuǎn)速控制在3r/min，待掌子面平整后轉(zhuǎn)速調(diào)整為6r/min，扭矩≤2000kN·m。

2.2.2 換步

當主推進油缸行程達到上限時，停止掘進作業(yè)，緩慢收回撐靴，推進油缸組合的同時提供反向動力將掘進機推至前方，然后配套移動至主推油缸完全收縮，釋放撐靴至洞壁撐緊，結(jié)束換步。在換步過程中，出渣量控制在70m3，掘進機主機完全進入圍巖后，將軸線高程向上糾偏20mm～30mm，以影響沖掘進機自重?？刂茲L動角在1°內(nèi)，輔助油缸轉(zhuǎn)速推力在3MPa～4MPa，同步換步速度與推速。

2.2.3 掘進循環(huán)時間安排

工序時間安排見表1。

表1 各主要工序時間安排

2.3 管片安裝技術(shù)

管片是TBM 的主要構(gòu)件，根據(jù)施工洞段的圍巖狀況，在圍巖較好的地層采用雙護盾模式，可以同時完成掘進及管片拼裝作業(yè)，進而有效提高施工效率；在存在斷層及破碎帶的軟弱圍巖的洞段采用單護盾模式掘進，可以確保軟弱圍巖下施工掘進的安全性，具體如下：1）TBM 掘進到達預(yù)定位置且推進油缸在預(yù)定安裝拱底與拱頂管片處的行程超過2.4m、側(cè)面安裝管片位置行程超過1.4m。如果雙護盾模式可以不用停止掘進直接進行管片安裝，單護盾模式下需要暫停掘進，再進行管片安裝。2）在管片安裝的過程中需要按照由下至上再兩側(cè)的順序，分4 步完成。①安裝拱底管片。②安裝拱頂管片。③安裝左右一側(cè)管片。④安裝余下一側(cè)管片。在安裝管片的過程中，需要用油缸輕頂管片，保證其穩(wěn)定性，同時要全程監(jiān)測該管片的位置和相鄰管片的銜接度，避免出現(xiàn)錯臺、露縫等問題，同時在管片相應(yīng)位置采取保護措施，避免防水密封條或管片邊緣和脆弱位置受到損壞，必要時須對關(guān)鍵位置進行防水檢測和加固[2]。3）管片在安裝完畢后需要將推進油缸移出，避免管片持續(xù)受力后，過多接觸接縫處的防水密封條，防止TBM 推進時，推進油缸將振動傳遞至管片，管片抖動、松動和防水密封條錯動而導(dǎo)致防水效果降低。流程如圖2 所示。

圖2 管片安裝程序圖

由專業(yè)管片安裝人員拼裝管片，工程技術(shù)人員根據(jù)驗收標準驗收過程。管片安裝接縫平滑（順）、管片襯砌盡可能達到精準的圓型。管片襯砌環(huán)的安裝誤差允許為徑向±20mm。管片的內(nèi)部接縫寬度≤5mm，接縫處的不平整度≤5mm。

2.4 壁后回填技術(shù)

在TBM 掘進的過程中，要在脫出盾尾的襯砌管片背后迅速吹入足量的豆礫石，并用漿液充填環(huán)形建筑空隙。每環(huán)管片安裝完成后立即進行豆礫石充填，管片外側(cè)與巖石間的空隙應(yīng)充填密實。充填順次應(yīng)按先拱底、次兩側(cè)、后拱頂，避免充填的豆礫石出現(xiàn)架空現(xiàn)象[3]。管片與圍巖空隙填充豆礫石后，及時用TBM 自帶灌漿系統(tǒng)通過管片預(yù)留灌漿孔灌入，如圖3所示。

圖3 回填灌漿示意圖

回填灌漿壓力設(shè)定為0.2MPa。當灌漿時需要兼顧TBM 推進的平穩(wěn)性，防止出現(xiàn)跑漿問題。灌漿量須根據(jù)現(xiàn)場情況進行調(diào)整，常規(guī)用量為1.3～1.8 倍基礎(chǔ)理論灌漿量。如公式（1）所示。

式中：Q為灌入量，m3；λ為灌漿率（130%～180%）；V為TBM施工引起的空隙，m3，如公式（2）所示。

式中：D為TBM 刀盤開挖直徑，5.06m；d為管片外徑，4.8m；L為管片寬度，1.4m。

V=π（5.062-4.82）×1.4/4=2.82m3，Q為3.67～5.1m3/環(huán)。

灌漿7d 后，對灌漿處進行壓水試驗和鉆孔取芯檢查。每100m 洞段進行5 次壓水試驗，鉆孔直徑為38mm，深度應(yīng)控制為鉆至豆礫石灌漿層厚度的1/2，鉆孔底部至巖面的豆礫石灌漿層厚度≥3cm。當水壓0.2MPa 時，鉆孔水飽和為30min。

豆礫石灌漿飽和后，讀取10min 時段的吸水率ΔQ1，如果ΔQl/l0小于0.1L/min，證明該孔的前后各10m 洞段水密性合格。

灌漿28d 后，每100m 洞段按監(jiān)理人指定的4 個孔鉆孔，取豆礫石水泥灌漿結(jié)石及水泥砂漿芯樣。取其中3 個芯樣（芯樣直徑為38mm 或50mm）制成長直比為1 ∶1 的試件，做抗壓強度試驗。另一個芯樣應(yīng)取自側(cè)部管片，用于觀察豆礫石水泥灌漿結(jié)石的表觀質(zhì)量。

2.5 方向控制技術(shù)

3 臺TBM 上均配備德國VMT 激光導(dǎo)向系統(tǒng)。該文提出了VMT 激光導(dǎo)向系統(tǒng)的工作原理以及基于TBM 導(dǎo)向系統(tǒng)進行TBM 調(diào)向方法，如圖4 所示。系統(tǒng)與TBM 的軸線相關(guān)，在系統(tǒng)中計算TBM 上激光靶的位置、控制點及參考點。系統(tǒng)包括并備檔了所有測量相關(guān)點的數(shù)據(jù)。在主控測量中，用控制點來確定TBM 的位置。也可用VMT 導(dǎo)向系統(tǒng)程序以外的其他轉(zhuǎn)化程序確定。

圖4 TBM 坐標系統(tǒng)

利用基本導(dǎo)線，用常規(guī)測量方法建立激光導(dǎo)向的基準坐標，激光導(dǎo)向系統(tǒng)將精確偏差值反饋至操作室，TBM 掘進機操作人員能直接掌握設(shè)備的姿態(tài)、方向等基礎(chǔ)信息，并結(jié)合預(yù)設(shè)方案對設(shè)備方向進行微調(diào)[4]。調(diào)動注意點：單次調(diào)向中刀的位移應(yīng)控制在3mm 內(nèi)，二次調(diào)向設(shè)備至少在掘進25mm 后進行，保證刀能夠在新應(yīng)力影響前挖出新斷面。每25cm 掘進距離內(nèi)，滾刀的總位移距離應(yīng)＜5mm，避免刀箱和刀體因空間不足與洞壁發(fā)生摩擦而受損；100cm 掘進距離內(nèi)，邊刀位移距離應(yīng)＜25mm，并保持邊刀與洞壁間有空隙；在掘進過程中，刀會出現(xiàn)磨損，因此相應(yīng)數(shù)據(jù)應(yīng)適度縮減。如果刀盤位置偏差值＞30mm，可以斷定刀盤狀態(tài)異常，須及時調(diào)整主機的位置。

2.6 防水施工技術(shù)

管片拼裝接縫防水采用“M”形槽孔的復(fù)合橡膠止水條。管片壁后環(huán)形間隙先用豆礫石充填，再用水泥漿回填灌漿豆礫石作為隧洞防水的加強層[5]。隧洞管片接縫復(fù)合止水條的基材和遇水膨脹橡膠物理力學(xué)指標見表2。

表2 復(fù)合止水條的基材和遇水膨脹橡膠物理力學(xué)指標

灌漿固結(jié)后，進行管片接縫內(nèi)燕尾槽的砂漿勾縫，并將勾縫表面抹平、掃光。洞段勾縫砂漿采用無收縮（微膨脹）砂漿，28d 抗壓強度≥45MPa。無收縮（微膨脹）砂漿施工前要嚴格清理管片內(nèi)表面，對局部滲漏和裂紋段進行修補堵漏。用灰刀鋼絲刷清理表面附著的砂漿和污跡，清洗后做防水砂漿。

3 結(jié)論

雖然TBM 掘進技術(shù)在我國已經(jīng)應(yīng)用了較長時間，積累了大量的實踐經(jīng)驗，設(shè)備與技術(shù)的可靠性也較高，但是仍然存在質(zhì)量和安全隱患。施工與管理人員應(yīng)理性看待施工過程中的各種風險，并結(jié)合相關(guān)理論、技術(shù)、經(jīng)驗和現(xiàn)場實際情況，采取相應(yīng)的措施排除風險，保證施工質(zhì)量，提升工程效益。